开阔水域与含冰水域中开底圆柱体波浪载荷的实验与数值研究

《Marine Structures》：Experimental and numerical study of wave loads on an open-bottom cylinder in open and icy waters

　　

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  冰盖的存在使敞底圆柱体上的波浪载荷显著降低，与开阔水域条件相比尤为明显。
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  为开阔水域场景开发的数值工具无法准确预测冰盖条件下结构上的波浪载荷。
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  在计算静止敞底圆柱体的波浪载荷时，势流衍射理论优于莫里森方程。
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  奇异谱分析被引入海洋工程领域。

引言

极地冰盖的消退加速了人类在极地地区的活动，尤其是在北极和南极地区的海上旅游活动增加[1]、[2]，以及在北极洋和波罗的海等地区的资源勘探活动加强[3]、[4]。尽管活动日益增长，极端的极地环境仍然构成重大风险，其特点包括地理位置偏远、严寒气温、海上结构承受的巨大环境载荷、搜救基础设施不足、可靠远距离通信有限以及海底地形数据不充分[1]、[5]。最近的事件，包括船只搁浅、沉没、基础设施损坏和结构失效（例如，永久性灯塔倾斜），都凸显了这些危险[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。进一步加剧这些风险的是，冰级较低的船只越来越多地航行在可能有更密集、更坚硬的多年冰漂入航道的海域[10]、[11]、[12]。这一趋势凸显了迫切需要深入理解波浪与冰共同作用导致极端结构载荷的机制。

尽管已有大量实验室实验研究了流体-冰-结构相互作用（例如参考文献[13]、[14]），现有研究主要侧重于冰漂冲击的运动学和动力学[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]，鉴于冰漂动能在确定结构冰载荷中的关键作用[20]、[21]，或者侧重于由水流引起的相互作用力[22]。尽管最近的研究已利用聚丙烯板作为冰的替代品来探索波浪与冰的相互作用[13]、[23]，但据作者所知，代表更真实自然冰的实验室培育咸冰尚未被用于类似的波浪-冰-结构相互作用研究。为弥补这一关键缺口，2016年开展了一项大规模实验活动，题为"冰中结构与波浪载荷"（LS-WICE）[24]。

本研究显著扩展了参考文献[25]和参考文献[26]中报告的初步分析，提供了全面实验和数值评估，研究了波浪对真实咸冰漂包围的圆柱结构以及开阔水域中圆柱结构的作用。值得注意的是，本工作整合了详细的数值验证，涉及半解析方法（Mavrakos和GMZM）和商业程序WADAM。此外，还进行了严格的误差量化和详细的理论讨论，包括莫里森公式适用性评估和水槽壁约束效应等。此外，本文还介绍了奇异谱分析（SSA）[27]、[28]作为极地工程中创新的数据分析工具，突出了其在准确量化波浪诱导载荷方面的有效性。

本文其余部分组织如下：第2节介绍实验设置。第3节介绍用于数据分析和波浪载荷预测的方法。第4节展示由于冰的存在导致的波数变化。第5节"开阔和含冰水域中的波浪振幅"、第6节"实验量化和数值计算的波浪载荷"展示了上述方法的应用并比较了其性能。随后第7节讨论了莫里森方程对无底圆柱的适用性、水槽壁对波浪载荷的影响、冰漂运动对波浪测量的影响、实验局限性以及未来工作的建议。最后，第8节总结了主要发现。

章节摘要

实验

本文所述的实验研究是Hydralab+项目"冰中结构与波浪载荷"（LS-WICE）的一部分，由欧盟Horizon 2020研究和创新计划资助[29]、[30]。实验在德国汉堡船舶模型水池（HSVA）的冰模型水池中进行，该水池尺寸为长72米、宽10米、深2.5米。

图1展示了试验系列T5000（开阔水域）和T4000（含冰水域）的实验设置。造浪机为……

数据分析方法

有效的数据分析技术对于充分的数据解释至关重要。在此背景下，简要概述了各种确定波浪振幅和波浪诱导载荷的方法。

开阔和冰覆盖水域中的波数

冰盖的存在改变了波浪色散关系和波浪振幅，与开阔水域条件相比有所不同。

为了说明含冰水域与开阔水域相比波长/波数的变化，采用了两种经典理论模型：非相互作用离散质量载荷模型[50]、[51]和弹性板模型[52]、[53]。质量载荷模型将冰层视为离散质量点的集合，而弹性板模型则……

开阔和含冰水域中的波浪振幅

在此，我们简要说明破碎冰盖对表面波浪的阻尼效应，仅关注压力传感器P8。这是因为参考文献[26]证实，在含冰水域中P8处的波浪测量可直接用于评估圆柱体上的波浪载荷。

图6展示了试验运行T5330及其含冰对应条件的波浪测量值，以及由Prony和Tikhonov重建和平滑的信号。Prony和Tikhonov捕捉了主要分量并去除了……

实验量化和数值计算的波浪载荷

此处通过实验和数值方法对开阔水域和含冰水域中敞底圆柱体的波浪载荷进行了比较分析。

莫里森方程对敞底圆柱的适用性

莫里森公式[57]是一种半经验方法，用于在$2b/\lambda <1/5$[58]条件下评估简单细长结构上的波浪载荷。该区域位于图16中蓝色和青色竖线的左侧。如图16所示，莫里森公式仅适用于测试波浪条件的一半。此外，在规定的波浪高度下，拖曳贡献极小。

按照参考文献[61]、[62]，我们将莫里森公式扩展到静止无底结构。相应的……

结论

本文利用实验和数值方法，研究了在开阔水域和破碎冰场中敞底、垂直、薄壁圆柱体上的纵向波浪载荷。

采用了一系列数据分析技术，包括FFT、Prony、DMD、Tik-peak以及引入极地工程界的SSA方法，以准确估算波浪和波浪载荷的幅值。这些方法产生的估算值彼此高度一致。实验……

CRediT作者贡献声明

李洪涛：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念化。Ersegun D. Gedikli：撰写–审阅与编辑，资源，方法论，概念化。程正顺：撰写–审阅与编辑，软件，资源。Sawamura Junji：撰写–审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取。Raed Lubbad：撰写–审阅与编辑，概念化。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作期间，作者使用了基于AI的模型ChatGPT、Overleaf AI和Grammarly来检查语法、纠正拼写错误并提高手稿的可读性。在使用这些工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢

第一作者和J. Sawamura谨此感谢日本文部科学省通过Arctic Challenge for Sustainability II（ArCS II）项目（资助号JPMXD1420318865）和Arctic Challenge for Sustainability III（ArCS III）项目（项目编号JPMXD1720251001）提供的支持。本研究中的实验由欧洲社区Horizon 2020计划通过拨款资助……

李洪涛|Ersegun D. Gedikli|程正顺|Sawamura Junji|Raed Lubbad